Главная / Теория термической обработки металлов / Химико-термическая и термомеханическая обработки / Термомеханическая обработка / Высокотемпературная термомеханическая обработка сталей, закаливаемых на мартенсит

Высокотемпературная термомеханическая обработка сталей, закаливаемых на мартенсит

При ВТМО аустенит деформируют в области его термодинамической стабильности и затем проводят закалку на мартенсит (смотрите рисунок Схема обработки легированной стали). После закалки проводят низкий отпуск.

Основная цель обычной термообработки с деформационного (прокатного ковочного) нагрева — исключить специальный нагрев под закалку и благодаря этому получить экономическии эффект.

Главная же цель ВТМО — повышение механических свойств стали. 

При ВТМО мартенсит наследует сформировавшуюся при горячей деформации субструктуру нерекристаллизованного аустенита.

Структурные изменения при горячей деформации уже были рассмотрены в Термомеханической обработке стареющих сплавов. С увеличением степени деформации при постоянной температуре в аустените растет плотность дислокаций и сначала возникает только упрочнение (горячий наклеп), а затем развиваются процессы разупрочнения (динамическая полигонизация и динамическая рекристаллизация).

Аустенит характеризуется низкой энергией дефектов упаковки и, следовательно, трудным выходом растянутых дислокаций из своих плоскостей скольжения. Поэтому аустенит сильно наклепывается, после чего может быстро рекристаллизоваться.

Наилучший комплекс механических свойств стали достигается в том случае, когда мартенсит образуется из аустенита с хорошо развитой полигонизованной структурой. Дифракционная электронная микроскопия показала, что мартенситные кристаллы полностью наследуют дислокационные субграницы горячедеформированного аустенита. Сплетения дислокаций также наследуются мартенситом.

В результате фрагментации кристаллов мартенсита субзеренными границами при ВТМО повышаются пределы прочности и текучести. Особенности субструктуры мартенсита, полученного из горячедеформированного аустенита, таковы, что, увеличивая прочность при ВТМО, можно сохранить неизменными показатели пластичности, например относительное сужение. По сравнению же с обычной закалкой и отпуском при одинаковой прочности ВТМО позволяет получить более высокие показатели пластичности.


Зависимость предела прочности

Зависимость предела прочности

Зависимость предела прочности при постоянном относительном
сужении от степени обжатия при ВТМО стали 55ХГР
(М. Л. Бернштейн).


При ВТМО машиностроительных углеродистых, низко- и среднелегированых сталей достигается следующий уровень механических свойств: σв = 220 / 260 кгс/мм2; σ0,2 = 190 / 220 кгс/мм2; δ = 7 / 8%; ψ = 25 / 440%.

После ВТМО прочностные свойства ниже, а показатели пластичности выше, чем после НТМО.

С помощью ВТМО можно резко ослабить, а иногда и почти полностью устранить обратимую и необратимую отпускную хрупкость. При этом вместо межзеренного разрушения, характерного для состояния отпускной хрупкости, происходит внутризеренное разрушение.


Зависимость ударной вязкости

Зависимость ударной вязкости

Зависимость ударной вязкости от температуры отпуска после обычной
закалки (1) и после ВТМО (2) стали 40ХН4 (Л. В. Смирнов,
Е. Н. Соколков, В. Д. Садовский).


Повысить предел прочности до 220 кгс/мм2 не сложно и без ВТМО, увеличив содержание углерода в стали и проводя обычную закалку с низким отпуском. Но после обычной термообработки такая сталь будет характеризоваться очень высокой склонностью к хрупкому разрушению, большой чувствительностью к острым надрезам на поверхности изделий.

Усталостные трещины в такой стали будут быстро распространяться из-за локализации напряжений у вершины трещины и приводить к внезапному хрупкому разрушению при напряжениях меньше предела текучести. Сталь с высокими значениями пределов прочности и текучести, но низкой сопротивляемостью распространению трещины невозможно использовать в высоконагруженных конструкциях.

Важнейшее преимущество ВТМО
— это ее замечательная способность одновременно повышать и показатели прочности, и сопротивляемость распространению трещины (вязкость разрушения).

В кристаллах мартенсита, фрагментированных субграницами, при нагружении возникают меньшие скопления дислокаций, т. е. создаются меньшие пики локальных напряжений. Кроме того, при развитом субзеренном строении напряжения, локализованные у вершины трещины, могут легко релаксировать. Меньший уровень и более легкая релаксация пиковых напряжений обусловливают высокую сопротивляемость распространению трещины в сталях, подвергнутых ВТМО.

Режим ВТМО выбирают так, чтобы к началу мартенситного превращения аустенит имел хорошо развитую полигонизованную структуру.

Степень горячей деформации при ВТМО не должна быть слишком большой, иначе развивается рекристаллизация, снижающая упрочнение. С увеличением скорости деформирования усиливается горячий наклеп, что в сочетании с деформационным разогревом приводит к рекристаллизации.

Применение дробной деформации с суммарным обжатием, равным большому обжатию за один проход, облегчает деформирование и способствует развитию динамической полигонизации.

Для каждой марки стали, вида и сечения изделия необходимо подбирать оптимальное сочетание температуры, степени, скорости и дробности деформации, чтобы получить развитую полигонизованную структуру аустенита.

После окончания деформирования углеродистых и низколегированных сталей необходима немедленная закалка, чтобы предотвратить статическую рекристаллизацию и сохранить полигонизованную структуру к началу мартенситного превращения.

В средне- и особенно высоколегированных сталях переползание дислокаций, а значит, и полигонизация замедлены. Эти стали после окончания деформирования могут находиться в состоянии горячего наклепа и иметь неполигонизованную структуру, наследование которой мартенситом не обеспечивает требуемого уровня механических свойств.

Поэтому по окончании деформирования таких сталей необходима строго регламентированная выдержка перед закалкой, позволяющая развиться статической, полигонизация.

«Теория термической обработки металлов»,
И.И.Новиков

Явление наследования упрочнения

Большой интерес представляет обнаруженное М. Л. Бернштейном явление наследования («обратимости») упрочнения от ВТМО при повторной термической обработке. Оказалось, что упрочнение от ВТМО сохраняется, если сталь перезакалить с кратковременной выдержкой при температуре нагрева под закалку или если упрочненную ВТМО сталь вначале подвергнуть высокому отпуску, а затем перезакалить. Например, предел прочности стали 37XH3A после ВТМО по режиму…

Термомеханическая обработка сталей, закаливаемых на мартенсит

Процессы ТМО сталей начали интенсивно изучать с середины 50-х годов в связи с изысканием новых путей повышения конструктивной прочности. Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО) При НТМО переохлажденный аустенит деформируется в области его повышенной устойчивости, но обязательно ниже температуры начала рекристаллизации и затем (превращается в мартенсит. После этого проводят низкий отпуск (на рисунке не показан). Схема обработки…

Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО)

При ВТМО проводят горячую деформацию, закалку с деформационного нагрева и старение (смотрите рисунок Схемы термомеханической обработки стареющих сплавов). При горячей деформации повышается плотность дислокаций и возникает горячий наклеп, который в процессе самой деформации может частично или полностью сниматься в результате развития динамической полигонизации и динамической рекристаллизации. Кривая напряжение — деформация имеет участок подъема напряжения течения,…

Применение ВТМО

Применение ВТМО ограничивают следующие факторы. Сплав может отличаться столь узким интервалом температур нагрева под закалку, что поддерживать температуру горячей обработки давлением в таких узких пределах практически невозможно (например, в пределах ± 5 °С для дуралюмина Д16). Оптимальный температурный интервал горячей деформации может находиться значительно ниже интервала температур нагрева под закалку. Например, при прессовании алюминиевых сплавов…

Предварительная термомеханическая обработка (ПТМО)

Сущность ПТМО заключается в том, что полуфабрикат, полученный после горячей деформации в нерекристаллизованном состоянии, сохраняет нерекристаллизованную структуру и при нагреве под закалку. ПТМО отличается от ВТМО тем, что операции горячей деформации и нагрева под закалку разделены (смотрите рисунок Схемы термомеханической обработки стареющих сплавов). ПТМО широко применяют в технологии производства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. Давно было…